一种建筑室内居民热适应行为的数据采集方法及系统

摘要

本发明涉及建筑节能数据采集领域，具体涉及一种建筑室内居民热适应行为的数据采集系统及方法。本发明的目的是将不同的传感器集成升级为一个数据采集系统，可以实现建筑室内热湿环境参数、热适应行为以及人的移动情况数据的统一采集；通过对门、窗以及人开/关各种供暖制冷机械设备的数据来刻画反映建筑内居民的生活方式和用能调节行为特征，为行为节能研究和智能建筑设计的数据采集提供保证；本发明提供的系统操作简单，采集效率高，数据的可靠性有保证，避免了多仪器分开单独测试的繁琐操作和不同测试系统数据整合时出现的误差；数据在同一系统中导出，易于数据在后期的统计分析。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑节能数据采集领域，具体涉及一种建筑室内居民热适应行为的数据采集系统及方法。

背景技术

随着经济的发展，人们的生活水平不断提高，空调、机械通风等高能耗供暖制冷设备逐步普及到千家万户。人们通常通过开窗通风和机械供暖制冷（空调、风扇等）相结合的方式联合调节室内热湿环境，但是对于这一调节模式缺乏科学指导，人们的热适应行为仅凭自我感觉，易造成空调过度使用的能源浪费或者全时间开窗通风不能满足人们的热湿环境需求的情况。据统计，2018年我国建筑运行阶段能耗高达10亿tce，占全国能源消耗的21.7%，且建筑运行能耗呈现逐步上升趋势。不科学的热适应行为调节是导致建筑运行能耗高的主要原因，因此对建筑中人的热适应调节行为进行准确、系统地监测和数据采集是深入探索居民热适应行为机理从而实现降低建筑运行能耗的保证，是实现建筑设计优化、能耗模拟、制定行为节能规范标准的重要基础工作。

当前对建筑室内居民开/关窗和开/关供暖制冷设备等热适应行为数据采集工作通常通过人工记录的方式，这种数据采集方法工作量大且数据误差大。还有一些居民调节行为数据的采集则通过不同的测试仪器分开单独进行，数据采集过程操作复杂，功能单一，与居民热适应行为相关的参数（温湿度和居民在建筑不同空间的移动情况等）还需要装配其他的专用监测设备。数据采集后将各项数据进行整合统计的工作量大且易出现误差，测试仪器的价格昂贵，测试成本高。因此，为了提高建筑室内居民热适应行为数据采集效率，减小数据误差，保证数据可靠性，本发明提出了一种建筑室内居民热适应行为的数据采集方法及系统。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种建筑室内居民热适应行为的数据采集方法及系统，具体技术方案如下：

一种建筑室内居民热适应行为的数据采集方法，包括以下步骤：

S1：将主机与若干从机通过数据传输模块建立通信连接，从机与多个行为数据采集模块连接，通过多个行为数据采集模块采集建筑室内居民的热适应行为数据；主机采集对应室内的温湿度数据及时间数据；数据传输单元通过给不同的行为数据采集模块设置特定的从机组网地址；

S2：多个行为数据采集模块将采集的热适应行为数据传输至对应从机，从机将采集的热适应行为数据通过数据传输模块传输至主机；

S3：主机接收到从机发来的热适应行为数据后，将采集的温湿度数据和热适应行为数据以及热适应行为发生的时间点和时间段进行存储以便计算机读取。

优选地，所述行为数据采集模块包括人员采集模块、门窗开关采集模块、用电量采集模块，所述人员采集模块设置在建筑室内的进出口处，用于采集建筑室内的人员的移动情况和人数情况；所述门窗开关采集模块设置在门和门框、窗和窗框处，用于采集门窗的开关状态数据；所述用电量采集模块与建筑室内的供暖制冷设备连接，用于采集建筑室内供暖制冷设备的开关状态以及供暖制冷设备的用电量；所述人员采集模块、门窗开关采集模块、用电量采集模块分别与对应主机连接。

优选地，所述人员采集模块包括摄像头，给摄像头下的固定视图设定一个二维坐标系，以长方形门框对角线的交点位置作为原点（0,0），固定视图的室外部分处于坐标系的y轴正半轴区域，室内部分处于坐标轴的y轴负半轴区域，人脸出现在固定视图中时，每张人脸在固定视图中的移动都会被赋予一个动态的坐标值（x,y）,摄像头通过检测人脸在坐标系中其（x,y）坐标值中的y值变化情况来判断人的移动情况，当人处在室外的固定视图中时，此时人被赋予的动态坐标值（x,y）中的y值为正值，当y值由正值转为负值时，传递出人进入室内的信号，室内人数为当前建筑室内人数加上进入的人脸个数；相反，当人处在室内的固定视图中时，此时人被赋予的动态坐标值（x,y）中的y值为负值，当y值由负值转为正值时，传递出人走出室内的信号，室内人数为当前建筑室内人数减去走出建筑室内的人脸个数，从而判定建筑室内的人数。

优选地，所述人员采集模块包括两个红外传感器，分别为第一红外传感器和第二红外传感器，其中第一红外传感器安装在门口外部，第二红外传感器安装在门口内部，两个红外传感器分别与主机连接，主机根据第一红外传感器和第二红外传感器检测到信号的顺序判断判断建筑室内的人员移动情况及建筑室内的人数。当有人员进入时，第一红外传感器先检测到信号，第二红外传感器后检测到信号，主机分别接收到第一红外传感器和第二红外传感器的信号，并根据信号的先后顺序判断是人员进入，则室内人数为当前建筑室内人数加上主机处理模块收到第二红外传感器传来的信号个数；当有人员走出室外时，第二红外传感器先检测到信号，第一红外传感器后检测到信号，主机分别接收到第二红外传感器和第一红外传感器的信号，并根据信号的先后顺序判断是人员走出，则室内人数为当前建筑室内人数减去第一红外传感器传来的信号个数。

优选地，所述门窗开关采集模块包括安装在窗户处的第一门磁感应开关和安装在门框处的第二门磁感应开关；从机通过检测第一门磁感应开关和第二门磁感应开关的接口电平来判断是开窗或关窗，以及是开门或关门。

优选地，所述用电量采集模块包括电表，所述电表分别与供暖制冷设备和从机连接，所述从机通过采集电表的电流数据判断供暖制冷设备是否打开，采集电表的用电量数据判断供暖制冷设备的用电量情况。

优选地，所述主机将采集的从机的数据、温湿度数据以及行为发生的时间点和时间段储存在SD卡中。

优选地，所述主机将采集的从机的数据、温湿度数据以及行为发生的时间点和时间段通过FatFs文件系统以Excel格式写入到SD卡中。

一种建筑室内居民热适应行为的数据采集系统，包括主机、若干从机；若干所述从机分别与主机进行通信并实现数据交互；

所述从机包括人员采集模块、门窗开关采集模块、用电量采集模块、从机处理模块、从机通信模块；所述人员采集模块、门窗开关采集模块、用电量采集模块、从机通信模块分别与从机处理模块连接；所述用电量采集模块与建筑室内供暖制冷设备连接；

所述人员采集模块用于采集建筑室内的人员的移动情况和人数情况，并将采集的数据传输至从机处理模块；所述门窗开关采集模块用于采集建筑室内门窗的状态数据，并将采集的数据传输至从机处理模块；所述用电量采集模块用于采集建筑室内供暖制冷设备的开关状态以及供暖制冷设备的用电量，并将采集的数据传输至从机处理模块；所述从机处理模块用于通过人员采集模块采集的数据判断建筑室内的人员移动情况及建筑室内的人数，通过门窗开关采集模块采集的数据判断门窗打开或关闭以及通过用电量采集模块判断建筑室内供暖制冷设备是打开或关闭和用电量数据，并将采集的数据和判断结果通过从机通信模块传输至主机；

所述主机包括主机通信模块、时钟模块、温湿度采集模块、主机处理模块、SD卡；所述主机通信模块、时钟模块、温湿度采集模块分别与主机处理模块连接；

所述主机通信模块用于与从机通信模块进行通信，并接受从机发来的数据和判断结果；所述时钟模块用于给主机处理模块提供时钟源；所述温湿度采集模块用于采集建筑室内的温湿度数据，并将采集的数据传输至主机处理模块；所述主机模块用于将热适应行为发生的时间点和时间段、温湿度数据、从机采集的数据和判断结果存储至SD卡中。

优选地，所述主机还包括显示屏，所述显示屏与主机处理模块连接，用于显示主机采集的数据及处理结果。

本发明的有益效果为：本发明的从机将不同的传感器集成升级为一个数据采集系统，可以实现建筑室内热湿环境参数、热适应行为以及人的移动情况数据的统一采集；通过对门、窗以及人开/关各种供暖制冷机械设备的数据来刻画反映建筑内居民的生活方式和用能调节行为，为行为节能研究和绿色智能建筑设计的数据采集提供保证；本发明提供的系统操作简单，采集效率高，数据的可靠性有保证，避免了多仪器分开单独测试的繁琐操作和不同测试系统数据整合时出现的误差；数据在同一系统中导出，易于数据在后期的统计分析。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为主机的扩展电源、指示灯、显示屏、晶振、主机通信模块、扩展串口的电路原理图；

图3为主机的自锁开关、温湿度采集模块、扩展IO口、降压电路、USB转串口、按键模块的电路原理图；

图4为主机的复位电路、下载电路的电路原理图；

图5为主机的SD卡存储模块的电路原理图；

图6为主机的单片机的电路原理图；

图7为从机的自锁开关、扩展排针、下载电路的电路原理图；

图8为从机的USB转串口、降压电路、按键的电路原理图；

图9为从机的指示灯、晶振、门窗模块、485转串口的电路原理图；

图10为从机的从机通信模块、复位电路、扩展IO口、扩展外设接口、K210接口的电路原理图；

图11为从机的锂电池充电及电源保护模块、升压模块的电路原理图；

图12为从机的单片机的电路原理图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

一种建筑室内居民热适应行为的数据采集方法，包括以下步骤：

S1：将主机与若干从机通过数据传输模块建立通信连接，从机与多个行为数据采集模块连接，通过多个行为数据采集模块采集建筑室内居民的热适应行为数据；主机采集对应室内的温湿度数据及时间数据；数据传输单元通过给不同的行为数据采集模块设置特定的从机组网地址。

S2：多个行为数据采集模块将采集的热适应行为数据传输至对应从机，从机将采集的热适应行为数据通过数据传输模块传输至主机；行为数据采集模块包括人员采集模块、门窗开关采集模块、用电量采集模块，人员采集模块设置在建筑室内的进出口处，用于采集建筑室内的人员的移动情况和人数情况；门窗开关采集模块设置在门和门框、窗和窗框处，用于采集门窗的开关状态数据；用电量采集模块与建筑室内的供暖制冷设备连接，用于采集建筑室内供暖制冷设备的开关状态以及供暖制冷设备的用电量；人员采集模块、门窗开关采集模块、用电量采集模块分别与对应主机连接。

人员采集模块包括摄像头，给摄像头下的固定视图设定一个二维坐标系，以长方形门框对角线的交点位置作为原点（0,0），固定视图的室外部分处于坐标系的y轴正半轴区域，室内部分处于坐标轴的y轴负半轴区域，人脸出现在固定视图中时，每张人脸在固定视图中的移动都会被赋予一个动态的坐标值（x,y）,摄像头通过检测人脸在坐标系中其（x,y）坐标值中的y值变化情况来判断人的移动情况，当人处在室外的固定视图中时，此时人被赋予的动态坐标值（x,y）中的y值为正值，当y值由正值转为负值时，传递出人进入室内的信号，室内人数为当前建筑室内人数加上进入的人脸个数；相反，当人处在室内的固定视图中时，此时人被赋予的动态坐标值（x,y）中的y值为负值，当y值由负值转为正值时，传递出人走出室内的信号，室内人数为当前建筑室内人数减去走出建筑室内的人脸个数，从而判定建筑室内的人数。

门窗开关采集模块包括安装在窗户处的第一门磁感应开关和安装在门框处的第二门磁感应开关；从机通过检测第一门磁感应开关和第二门磁感应开关的接口电平来判断是开窗或关窗，以及是开门或关门。第一门磁感应开关和第二门磁感应开关分别采用MC-53门磁感应开关，MC-53门磁感应开关引出两条输入线，从机通过检测门磁感应开关的接口电平来判断开窗、开门或者关窗、关门，两条输入线中的一条与从机IO口连接，另一条接地，与IO口连接的输入线默认上拉为高电平，当窗（门）上的磁铁靠近时，IO口被拉低为低电平，单片机检测到IO口为高电平则为开窗（门），为低电平则为关窗（门）。

用电量采集模块包括RS-485电表，电表分别与供暖制冷设备和从机连接，从机通过采集电表的电流数据判断供暖制冷设备是否打开，采集电表的用电量数据判断供暖制冷设备的用电量情况。供暖制冷设备的电源插头与RS-485电表相连，从机单片机与RS-485电表通过RS485进行通信，通信采用国家电网DLT645-2007协议，RS-485电表与从机单片机通过从机485转串口电路模块连接。485转串口电路采用SP3485芯片，可以实现最高2.5Mbps的传输速率,单片机通过向电表发送读数据请求来读取设备的耗电量和开关状态。

单片机以一秒一次的频率向RS-485电表设备发送读取耗电量和电流指令，RS-485电表接收到指令后，向单片机发送当前的耗电量和电流大小。当读取到的电流为0时，反馈给单片机的信息为设备处于关闭状态，反之，当电流大于0时，反馈给单片机的信息为设备处于开启状态。当设备状态变化时，单片机将关闭时刻读取的耗电量与开启时刻读取的耗电量进行比较，两次读数的差额为供暖制冷设备的此阶段的耗电量；从而实现对供暖制冷设备的耗电量的数据采集及其开关状态的实时监测。

数据传输模块选择互相匹配的蓝牙模块、4G/5G模块、GPRS模块、WIFI模块中的一种。在本实施例中，从机通信模块和主机通信模块选择JDY-24M蓝牙通信模块，工作电压为1.9～3.6V ， MESH 组网数量最大支持65536设备组网。主机通信模块通过给不同的行为数据采集节点单片机设置特定的组网地址，主机与从机的数据传输原理为：设置主板蓝牙组网地址为0001，摄像头节点的地址为0002，两个门磁感应开关节点地址为0003、0004，供暖制冷设备节点地址为0005。节点向主机以数组的形式发送数据，发送格式为 41 54 2b 4d45 53 48 00 +主机地址+数据+0d 0a，主机接收到的数据格式为f1 dd +数据长度+从机地址+主机地址+数据+0d 0a。主机通过接收到的从机数据的地址和数据内容来进行对节点的监控。

S3：主机接收到从机发来的热适应行为数据后，将采集的温湿度数据和热适应行为数据以及热适应行为发生的时间点和时间段进行存储以便计算机读取。主机将采集的从机的数据、温湿度数据以及行为发生的时间点和时间段通过FatFs文件系统以Excel格式写入到SD卡中。

一种建筑室内居民热适应行为的数据采集系统，包括主机、若干从机；若干从机分别与主机进行通信并实现数据交互；

从机包括人员采集模块、门窗开关采集模块、用电量采集模块、从机处理模块、从机通信模块；人员采集模块、门窗开关采集模块、用电量采集模块、从机通信模块分别与从机处理模块连接；用电量采集模块与建筑室内供暖制冷设备连接。

人员采集模块用于采集建筑室内的人员的移动情况和人数情况，并将采集的数据传输至从机处理模块；门窗开关采集模块用于采集建筑室内门窗的状态数据，并将采集的数据传输至从机处理模块；用电量采集模块用于采集建筑室内供暖制冷设备的开关状态以及供暖制冷设备的用电量，并将采集的数据传输至从机处理模块；从机处理模块用于通过人员采集模块采集的数据判断建筑室内的人员移动情况及建筑室内的人数，通过门窗开关采集模块采集的数据判断门窗打开或关闭以及通过用电量采集模块判断建筑室内供暖制冷设备是打开或关闭和用电量数据，并将采集的数据和判断结果通过从机通信模块传输至主机；

主机包括主机通信模块、时钟模块、温湿度采集模块、主机处理模块、SD卡；主机通信模块、时钟模块、温湿度采集模块分别与主机处理模块连接；

主机通信模块用于与从机通信模块进行通信，并接受从机发来的数据和判断结果；时钟模块用于给主机处理模块提供时钟源；温湿度采集模块用于采集建筑室内的温湿度数据，并将采集的数据传输至主机处理模块；主机模块用于将热适应行为发生的时间点和时间段、温湿度数据、从机采集的数据和判断结果存储至SD卡中。

主机还包括显示屏，显示屏与主机处理模块连接，用于显示主机采集的数据及处理结果。

主机子系统包括主机通信模块、时钟模块、温湿度采集模块、主机处理模块、SD卡；主机通信模块、时钟模块、温湿度采集模块分别与主机处理模块连接；

主机通信模块用于与从机通信模块进行通信，并接受从机发来的数据和判断结果；时钟模块用于给主机处理模块提供时钟源；温湿度采集模块用于采集建筑室内的温湿度数据，并将采集的数据传输至主机处理模块；主机模块用于将人员行为发生的时间点和时间段、温湿度数据、从机子系统采集的数据和判断结果存储至SD卡中。

主机处理模块采用单片机最小系统，用于实时接收从机传回来的传感器信号，并在显示屏中显示，SD卡的读写采用FatFs文件系统，有效地将不同数据进行分类统计。

主机还包括主机扩展电源模块、主机指示灯模块、主机晶振模块、主机扩展串口模块、主机自锁开关模块、主机扩展IO口模块、主机降压电路、主机USB转串口电路、主机按键模块、主机复位电路、主机下载电路。

其中，主机扩展电源模块可以外接电源，以为主机提供工作电源。主机指示灯模块包括两个红色指示灯，其中，主机正常工作时LED1指示灯亮，LED2可用于异常调试。主机晶振模块包括频率为8MHz的晶振，主机扩展串口模块可以增加串口，连接多个外接串口设备，主机自锁开关模块，按下自锁开关后主机保持通电，主机开始工作，再次按下自锁开关后，主机断电，主机停止工作。主机扩展IO口模块可以增加主机的IO口，连接多个外接设备，例如温湿度传感器等，可以采用两个温湿度传感器相互校准，根据两个温湿度传感器采集的数据取平均值，提高数据采集的精确度。主机降压电路主要是将5V的外接电源转换为3.3V的电源电压，以为主机提供工作电源。主机USB转串口模块可以实现主机与计算机通信。按键模块分为复位按键和调试按键，按下复位按键后系统复位，调试按键可用于调试程序。SD卡存储模块可以插入SD卡来存储数据。

从机处理模块和主机处理模块选择单片机最小系统，主机处理模块选择STM32F103RET6最小系统，从机处理模块选择STM32F103C8T6最小系统。时钟模块包括DS1302时钟芯片。温湿度采集模块选择DHT22温湿度传感器模块，工作电压为3.3V～5V，湿度测量范围为0～100%RH，湿度测量误差：±2%RH。温度测量范围为0～80℃，温度测量误差:±0.5℃，输出形式为数字输出。主机子系统还包括显示屏，显示屏与主机处理模块连接，用于显示主机采集的数据及处理结果。

从机还包括从机自锁开关模块、从机扩展排针模块、从机下载电路模块、从机USB转串口模块、从机降压电路模块、从机按键模块、从机指示灯模块、从机晶振模块、从机复位电路模块、从机扩展IO口模块、从机扩展外设接口模块、从机锂电池充电及电源保护模块、从机升压模块。

从机锂电池充电及电源保护模块采用TP4056对电池进行充电，当充电采用USB给电池充电时，红色灯亮起，充电完成后，红灯熄灭，绿灯亮。电源保护模块采用DW01和FS8205A芯片组合电路，防止因为充电时过充和使用时过放对电池造成的损耗。升压模块使用SX1308x芯片，将电池额定电压4.2V升至5V,从而给电路供电。

实施例2：

一种建筑室内居民热适应行为的数据采集方法的步骤S2中采用的人员采集模块包括两个红外传感器，分别为第一红外传感器和第二红外传感器，其中第一红外传感器安装在门口外部，第二红外传感器安装在门口内部，两个红外传感器分别与主机连接，主机根据第一红外传感器和第二红外传感器检测到信号的顺序判断判断建筑室内的人员移动情况及建筑室内的人数。当有人员进入时，第一红外传感器先检测到信号，第二红外传感器后检测到信号，主机分别接收到第一红外传感器和第二红外传感器的信号，并根据信号的先后顺序判断是人员进入，则室内人数为当前建筑室内人数加上主机处理模块收到第二红外传感器传来的信号个数；当有人员走出室外时，第二红外传感器先检测到信号，第一红外传感器后检测到信号，主机分别接收到第二红外传感器和第一红外传感器的信号，并根据信号的先后顺序判断是人员走出，则室内人数为当前建筑室内人数减去第一红外传感器传来的信号个数。其他同实施例1。

本发明不局限于以上的具体实施方式，以上仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。